航天单机力学设计分析

龙湛

（中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

力学设计是单机设计的一个非常重要的方面。航天单机必须在满足重量的前提下具有足够的强度和合适的刚度，以便在经受环境试验、地面操作和飞行载荷作用时不发生破坏及有害变形，至少应具有规定的安全裕度。

1 概述

本文以某航天项目中某单机为分析对象，通过力学仿真分析，对这种结构形式进行设计验证，结果表明该单机设计方案合理可行，并有一定的设计余量，可以满足航天产品长寿命、高可靠的使用要求。

1.1 功能任务

本单机是电性能具体功能的执行和实现部分。

1.2 组成

单机采样模块化设计，由模块1、2、3、4、5组成，其外形简图如图1所示。

图1 外形简图

1.3 工作环境

单机工作于条件恶劣的航天使用环境，除火箭发射时的强烈振动和冲击外，卫星飞行时的外部宇宙射线、太阳辐射等都是其他工作平台不会遇到的恶劣环境；另外航天设备不可维修的特殊性等诸多因素，都对产品可靠性提出了极高的要求。

1.4 工作模式

工作模式指系统按照一定的工作流程，执行一系列指令，完成特定的功能，按要求输出处理结果。

1.5 工作时间

在轨测试和运行阶段，单机工作。其中在轨测试时间为XX小时，累计工作时间为XX小时。

2 设计要求

产品的结构设计应满足强度和刚度要求，同时兼顾热设计、EMC设计、辐射环境防护设计等要求，为元器件创造适宜的工作环境。

在对产品结构分析的基础上，设计应尽量做到体积小、重量轻，且有足够的安全裕度，在满足使用要求情况下，结构材料应选用轻质材料加工制造。

结构设计应经过充分的结构力学分析和试验验证，证明结构设计满足力学环境条件和接口要求。

2.1 产品机械特性

重量：≤12kg。

外形尺寸：320mm×203mm×205mm（本体尺寸，不包括支耳、电连接器）。

2.2 设计输入条件

产品的力学环境条件：随机振动试验条件见表1。

表1 随机振动试验条件

2.3 抗力学环境设计要求

抗力学环境设计目的如下：

（1）合理布局和安装元器件，改善元器件的力学环境；（2）通过力学分析，合理选择印制电路板组装件结构，满足刚度与强度要求；（3）合理设计设备结构，在满足刚度与强度要求下尽可能减轻重量；（4）设计与分析校核设备的连接强度，确保设备的可靠连接。

为满足航天器电子设备抗力学环境设计要求，保证产品在航天力学环境下的可靠性，避免该产品发生与力学相关的质量问题，在抗力学环境设计过程中，必须使产品满足下述设计要求：（1）设备应做到体积小、重量轻，尽可能提高结构刚度、增大结构阻尼，设备的强度和刚度满足抗力学的设计评估准则；（2）在满足设备刚度要求的前提下，设备的PCB基频尽可能与机箱的基频错开，错开频率一般应满足倍频律的要求，以避免动力耦合；（3）设备应尽可能做到通用化、模块化、系列化；（4）结构材料应不影响电性能，真空放气少，无污染或少污染，并且应无毒和不易燃。

因此，结构的设计过程中要从部件的强度、刚度、关键元器件振动加速度、可靠性要求、寿命要求以及可维修性要求分别加以考虑。

2.3.1 设备结构部件强度

设备结构部件在经受准静态载荷、正弦振动、随机振动和冲击中不发生破坏，其安全裕度至少大于0，如公式(1)所示。

式中，M为安全裕度；sf为安全系数，视不同的材料选取合理的量值；fσ围殴许用破坏应力，MPa；SGEσ为等效使用应力，MPa。

2.3.2 设备结构部件刚度

（1）设备（含PCB）基频。以航天器结构基频的分配指标为依据进行PCB的刚度设计。通常在航天器上电子设备安装结构（板）的局部一阶频率0f为一般不大于100Hz，为避免动力响应的耦合效应引起设备动力响应的叠加放大，通常要求设备（含PCB）基频高于安装结构的局部一阶频率，以倍频律错开。设备（含PCB）基频一般应大于 02f，并应与元器件的关键谐振频率错开。

（2）PCB的变形。在承受力学载荷时，PCB的过分弯曲变形会造成元器件、引脚及其焊点的损伤与破坏。在设计中，在经受准静态、正弦振动、随机振动和冲击载荷时，应限制PCB 的变形量。

2.3.3 振动加速度

在动力载荷环境作用下关键元器件（如继电器等）处的响应加速度应小于该元器件许用的加速度量值。

2.3.4 可靠性一体化设计要求

应以满足电子设备的功能、性能、可靠性、耐环境适应能力等为目标，进行机、电、热一体化设计。电子设备抗力学环境设计应当做到：满足电子设备电性能对抗力学环境的要求；满足热设计和电磁兼容性设计的要求；满足设备的抗辐照设计要求。

2.3.5 寿命要求

电子设备抗力学环境设计中所采用的（含固封、阻尼等）材料其寿命应不低于电子设备的设计寿命。

2.3.6 设备维修性要求

电子设备抗力学环境设计应考虑到设备调试及交付后的维修，应具有可维修性。

3 抗力学环境设计

抗力学环境设计作为电子设备设计的一部分，与电性能及功能设计、热设计、电磁兼容性设计、空间环境适应性设计等并行或交叉进行。设计内容主要包括元器件布局、器件安装与固定、PCB的抗力学环境设计、结构设计、固封、抗力学环境设计分析。

下面将结合数字接收机的结构设计过程，进行详细的阐述。

3.1 结构形式

单机采取模块化设计，由6个模块叠加组成，各模块间通过螺钉连接，整个单机通过螺钉安装到外部结构上。其基本组成如图2所示。

图2 结构构型

3.2 PCB的抗力学环境设计

印制电路板基材采用的是玻璃钢。其物理性能参数如表2。

表2 印制板基材物理属性

在满足空间布局要求的前提下印制电路板的形状力求简单，优选了长宽比例不大的长方形，印制电路板长宽尺寸越小则板的刚度越大。该结构中印制板均采用规则的长方形，长宽比为1.58。印制电路板的厚度设计考虑了所安装元器件的重量、印制电路板外形尺寸，以及承受的力学载荷，此结构中印制板的厚度选为2mm。

为满足与机箱连接的刚度、强度、阻尼和导热要求，便于设备的电性能调试、测试和地面维修，PCB 与结构的安装连接是利用螺钉来实现的，在整机装配时，对螺钉进行固封。

3.3 结构设计

结构基材选用的是铝合金2A12，该种基材具有质轻、极限强度高、易加工的特点。其典型的物理属性如表3。

表3 结构基材物理属性

在设备结构类型的选择上，由于模块电源本身的外形尺寸和安装属性的要求，采用盒体式作为其结构形式。电源主结构包括底座、盖板，印制板的固定用底座和连接柱实现。在设计时，充分考虑到各结构的强度、刚度，以及结构件之间的连接刚度和强度；同时，在满足结构件之间有良好的导热路径，并满足防辐射与电磁兼容性（EMC）的设计要求的前提下，充分考虑结构的轻量化和工艺性；另外，表面粗糙度、平面度和接地等要求也满足建造规范的要求。

根据相关要求，机箱底座设有10个 5.4Φ 安装孔，在底面上4个安装孔距离为160mm和338mm；另外，根据建造规范的要求，在底座上有6个搭接孔，其距离为310mm×68mm。由于接收机二次电源属于星上的发热设备，为了满足热设计的要求，将机箱底座的底平面作为机箱的安装面，机箱底面平面度要求不大于0.1mm/100mm×100mm。

3.4 固封

主结构件与PCB之间的连接螺钉用硅橡胶固封。机箱内电缆在绑扎结节处用硅橡胶逐段固封，使其与壁板或支撑板粘牢。

3.5 可靠性、安全性、可维修性、互换性设计的落实情况

单机结构采用底座和上盖的结构设计，电路采用双层结构设计。这种结构具有可维修性好，电装容易、方便，结构抗振性以及电磁兼容性好的特点。

4 设计验证

进行设计验证是为了对机、电、热一体化协调设计的设备进行抗力学分析，以达到分析验证设备结构的刚度、强度；分析预估关键元器件的动力响应；按试验条件进行预分析，指导试验的合理进行。进行设计验证主要通过有限元分析的方法实现。其步骤是：建立分析模型；进行模态分析； 进行动力响应分析；判断分析结果是否满足设计要求。

4.1 分析模型的建立

电子设备的结构设计方案确定后，应进行模态分析和动态响应分析，根据其结果对设计进行初步的分析评价，改进设计。目前使用ANSYS有限元分析软件对结构进行力学分析工作，下面是以SCX数字接收机B箱结构为分析对象，利用ANSYS软件计算其在振动条件下的响应，并通过试验验证SCX数字接收机B结构设计方案，以满足型号长寿命、高可靠的使用要求。

4.1.1 有限元模型的建立

机箱外本体尺寸320mm×203mm×205mm，重量为13kg。根据航天建造规范要求，在建立有限元模型时，机箱的边界条件与其在整星中的安装和搭接位置保持一致。机箱整体外观呈六面方箱体，各部分通过螺钉紧密连接，在分析时被作为刚性连接，为运算方便和减少计算时间建立模型时做了适当的简化，简化原则如下：去掉壳体上尺寸较小的安装孔、螺孔；忽略较小倒角，按照直角进行计算；对印制板和结构件根据轮廓尺寸和质量将其等效为密度均匀的质量块处理。

在不影响分析结果的准确性的前提下尽量减少分析的单元数量，整个模型建立的基本要求是有限元模型和原产品在总质量大小和总质心位置一致。

按照试验约束条件，对机箱固定安装孔进行约束。

4.1.2 有限元数学模型

本文采用的分析坐标系定义：分机安装面作为XY平面，其中Y方向垂直于模块平面，有限元数学模型如图3所示。

图3 有限元数学模型

4.1.3 材料性能参数。

机箱结构部分金属材料采用铝合金2A12，印制板选用材料为环氧玻璃布板，其典型的材料特性见表4。

表4 材料特性

4.2 模态分析

根据振动理论，结构的低阶模态对振动响应比较大，高阶模态可以忽略不计。下面是在分析中提取的前6阶的频率，在ANSYS中设定约束后进行分析可得模态振型结果如表5所示。

由表5可知，机箱基频为295Hz，满足航天建造规范中对设备基频的要求。

表5 模态振型结果

4.3 随机振动响应分析

按照表1中列出的随机振动试验条件，利用ANSYS WORKBENCH的随机振动分析模块对机箱在随机环境下的响应进行了分析。

（1）应力应变响应。机箱结构支撑件的应力响应。

①垂直安装面方向（Z方向）。在Z方向加载时，分机结构支撑件的最大应力为104MPa，主要发生于底部安装孔附近区域，如图4所示。需要指出的是，应力云图中显示的最大应力仅分布于孔内一点，周围相邻单元分布较小，应力过渡很快，可以判断，此处为数值计算所带来的奇异点，其显示的应力分布可予以忽略，因此本文选取了较大区域内的应力数值作为最大应力。以下其他两个方向的应力结果分析也进行了同样的处理。

图4 应力响应云图（Z方向加载）

②平行安装面方向（X方向）。在X方向加载时，结构支撑件上的应力如图5所示，最大应力为106MPa，仍然发生在底部安装孔附近区域。

图5 应力响应云图（X方向加载）

③平行安装面方向（Y方向）。在Y方向加载时，我们发现，结构支撑件上的最大应力达到了123MPa，大于其他两个方向加载时的应力，最大应力仍处于底部安装孔附近区域，如图6所示。

图6 应力响应云图（Y方向加载）

（2）加速度响应。为了观测机箱在随机激励下的加速度响应，我们选取了两点进行数值计算，如图7、图8所示。

图7 观测点（加载点）

图8 观测点（远端点）

加速度PSD曲线及其均方根值如表5所示。

4.4 设计结果分析及结论

随机振动强度评估见表6所示。

表6 观测点PSD曲线

表7 分机结构支撑件随机振动评估

由表6可知，分机结构满足航天建造规范中对安全裕度（金属材料稳定性安全裕度不低于0.25）的要求。

5 结语

本文依据航天单机结构设计的力学环境及其评估准则、可靠性要求、寿命要求、维修性要求，详细阐述了数字接收机的结构构型设计、PCB布局设计、PCB安装连接设计、机箱内部固封设计，进行了结构设计合理性评估；为了验证结构设计可靠性，进行了力学分析，其中包括模态分析、随机振动响应分析，依据结果计算了机箱和印制板组件的安全裕度。通过结构设计方案制定、有限元分析模型的详细的力学分析和试验验证，数字接收机结构设计方案合理可行，并有一定的设计余量，可以满足型号长寿命、高可靠的使用要求。